一种用于晶圆对准的光学成像装置和晶圆对准系统的制作方法

本实用新型涉及半导体检测技术领域，具体涉及一种用于晶圆对准的光学成像装置和晶圆对准系统。

背景技术：

现有技术中，晶圆预对准系统主要采用边缘检测传感器(激光传感器或者图像传感器)配合转台旋转的方法来获得晶圆的边缘信息，然后利用机械运动平台校正晶圆位姿，实现晶圆预对准。使用激光传感器的系统，如图1所示，伺服电机驱动晶圆承片台转动，利用光学传感器系统(光源+感光传感器)可以采集边缘位置数据，晶圆转动一周后，数据采集完毕，利用数学算法获得晶圆晶圆中心坐标及偏角，然后利用承片台的机械运动系统校正晶圆位姿。这种预对准系统使用的光学传感系统的承片台必须小于晶圆，因此进入后继工序时需要用机械手更换承片台，而且在晶圆的预对准过程中必须转动一周或者多周，效率较低。

技术实现要素：

本申请提供一种用于晶圆对准的光学成像装置和晶圆对准系统，使用两个图像传感器通过光学成像装置，分别获取晶圆的整体图像和边缘图像，依据晶圆的整体图像和边缘图像获取晶圆承片台的调节参数，进而完成晶圆对准。由于不需要更换承片台，解决现有技术中晶圆校准效率低的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于晶圆对准的光学成像装置，包括物镜组、分光镜、振镜、第一透镜和第二透镜；

所述物镜组聚焦视场的光线后透射；

所述分光镜从所述物镜组透射出的光线分出第一光线和第二光线；

所述第一光线为所述分光镜反射所述物镜组聚焦后透射的所述视场的光线，所述第二光线为所述分光镜透射所述物镜组聚焦后透射的所述视场的光线；

所述第一透镜透射所述第一光线，用于第一传感器接收所述第一光线；

所述第二透镜透射所述第二光线；

所述振镜反射所述第二透镜透射的所述第二光线；

所述第二透镜还用于透射所述振镜反射所述第二透镜透射的所述第二光线；

所述分光镜还用于反射所述第二透镜透射的所述振镜反射的所述第二光线，用于第二传感器接收所述第二光线。

进一步，所述光学成像装置还包括双轴MEMS，用于调整所述振镜的反射角度。

根据第二方面，一种实施例中提供一种晶圆对准系统，包括第一方面所述的光学成像装置。

根据第三方面，一种实施例中提供一种晶圆对准系统，包括：

运动平台，可在X轴和Y轴移动并绕Z轴转动；

晶圆承片台，其被支撑在所述运动平台上，用于承载晶圆；

图像获取装置，设置于所述晶圆承片台上方，用于获取晶圆的整体图像和晶圆的边缘图像；

处理器，其与所述图像获取装置和所述运动平台耦接，用于对所述晶圆的整体图像进行处理，并计算出所述运动平台在X轴和Y轴移动的第一调节值和绕Z轴转动的第一角度，并将所述第一调节值和所述第一角度发送给所述运动平台，以控制所述运动平台移动；

所述处理器还用于对所述晶圆的边缘图像进行处理，并计算出所述运动平台在X轴和Y轴移动的第二调节值和绕Z轴转动的第二角度，将所述第二调节值和所述第二角度发送给所述运动平台，以控制所述运动平台移动。

进一步，所述图像获取装置包括：

第一传感器，用于获取所述晶圆的整体图像；

第二传感器，用于获取所述晶圆的边缘图像；

所述第一传感器和所述第二传感器分别与所述处理器耦接，用于将所述晶圆的整体图像和所述晶圆的边缘图像发送给所述处理器。

进一步，所述传感器包括CCD图像传感器和模数转换器；

所述CCD图像传感器用于获取光线并转化为模拟信号发送给所述模数转换器；

所述模数转换器用于将接收的所述CCD图像传感器发送的模拟信号转化为数字信号发送给所述处理器。

进一步，所述图像获取装置还包括光学成像装置；

所述光学成像装置用于获取第一视场的光线和第二视场的光线，将所述第一视场的光线投射到所述第一传感器上，以获得所述晶圆的整体图像；

将所述第二视场的光线投射到所述第二传感器上，以获得所述晶圆的边缘图像。

进一步，所述光学成像装置包括物镜组、分光镜和第三透镜；

所述物镜组对所述第一视场的光线进行对焦，对焦后的所述第一视场的光线到达所述分光镜；

所述分光镜反射对焦后的所述第一视场的光线；

所述第三透镜透射反射后的所述第一视场的光线，透射出的所述第一视场的光线到达所述第一传感器上。

进一步，所述光学成像装置包括物镜组、第四透镜、振镜和分光镜；

所述物镜组对所述第二视场进行对焦，对焦后的所述第二视场的光线到达所述第四透镜；

所述第四透镜透射对焦后的所述第二视场的光线；

所述振镜反射所述第四透镜透射的所述第二视场的光线；

所述第四透镜透射所述振镜反射的所述第二视场的光线；

所述分光镜反射所述第四透镜透射的所述振镜反射的所述第二视场的光线到达所述第二传感器上。

进一步，所述光学成像装置还包括双轴MEMS，用于通过调整所述振镜的反射角度，使所述第二传感器获取与所述反射角相对应的所述第二视场的光线。

依据上述实施例的一种用于晶圆对准的光学成像装置和晶圆对准系统，由于使用两个图像传感器通过光学成像装置，分别获取晶圆的整体图像和边缘图像，依据晶圆的整体图像和边缘图像获取晶圆承片台的调节参数，进而完成晶圆对准。由于不需要更换承片台，也不需要承片台连续旋转，解决现有技术中晶圆校准效率低的问题。

附图说明

图1为现有技术中边缘检测传感器的工作示意图；

图2为一种实施例的晶圆对准系统的结构示意图；

图3为一种实施例的图像获取装置结构示意图；

图4为用于晶圆对准计算调节值的坐标系构建示意图；

图5为圆拟合算法计算晶圆调节值的坐标系示意图；

图6为晶圆切边点检测及角度调节值计算的坐标系示意图；

图7为晶圆角度调节值的坐标系示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

晶圆对准系统和方法针对有图案晶圆和无图案晶圆有所不同。对于有图案的晶圆，直接通过晶圆对准实现。具体过程如下：

(a)、在建立Recipe时，沿着某一个街道采集一个重复出现的高唯一性的特征图像，记录两个以上包含该特征图像的坐标位置，以后所有使用该Recipe的晶圆均以这些坐标位置为基准进行误差消除；

(b)、Recipe运行时，机械手将晶圆放置到运动平台的载物吸盘上并稳定后，将运动平台移动到记录的第一个坐标位置后采集图像，随后使用存储的特征图像与采集到的图像进行匹配，如果匹配成功，特征图像在目标图像中的像素偏差就是第一个坐标点的晶圆传输误差；

(c)、如果匹配不成功就需要以当前的坐标位置为中心螺旋移动运动平台，每移动一次运动平台就采集一次图像，并将特征图像与采集到的图像匹配，直至匹配成功或者超过限定次数；

(d)从第二个坐标点开始重复(b)和(c)步骤直至所有记录的坐标位置均得到各自的传输误差；

(e)依据所有点的传输误差计算出整个晶圆的传输误差，包括平动传输误差和旋转传输误差。

对于无图案的晶圆，由于内部没有任何特征图像可以提取，因此一般通过晶圆的边缘特征来对准。具体过程如下：

(a)、在对无图案晶圆对准定标时，需要先对无图案晶圆进行边缘特征提取，在无图案晶圆的边缘采集包括两个Notch(以下称为定位缺口)在内的4个以上的边缘特征图像并记录其采集位置；

(b)、Recipe运行时，机械手将晶圆放置到运动平台的载物吸盘上。

(c)、等待运动平台稳定后，将运动平台移动到记录的第一个坐标位置后采集图像，随后使用存储的对应特征图像与采集到的图像进行匹配，匹配成功后获取特征图像在目标图像中的像素偏差；

(d)、如果匹配不成功就需要以当前的坐标位置为中心螺旋移动运动平台，每移动一次运动平台就采集一次图像，并将特征图像与采集到的图像匹配，直至匹配成功或者超过限定次数；

(e)、从第二点开始重复(c)和(d)直至所有记录的坐标均得到各自的像素偏差；

(f)、依据所有点的像素偏差计算出个边缘特征的实际坐标位置，并依据这些坐标位置拟合圆周。圆心为晶圆的平动误差，圆心与两个定位缺口位置连线的中点可计算出旋转传输误差。

对于有图案晶圆，由于对定位精度要求特别高，因此所使用的相机一般分辨率和倍率都比较高，相应的视场也会较小。晶圆传输误差较大时，特征图像就很容易出视场，如果出现这种情况，就要以预计特征图像出现的坐标位置为中心螺旋查找目标图像，多次移动运动平台，多次进行图像匹配，非常耗时，在晶圆传输误差特别大时还有可能出现晶圆对准失败的情况。而对于无图案晶圆的对准，因为和有图案晶圆类似地使用同一高分辨率的小视场的相机，所以也会出现特征图像出视场需要螺旋查找的问题。除此之外，由于无图案晶圆的特征图像分布在晶圆的边缘圆周上，而且用于对准的点越多、越均匀分布越有利于获取更精准的传输误差数据，因此在对无图案晶圆对准时需要频繁地移动运动平台，频繁地进行图像匹配，非常耗时。另外，采用图像传感器的方案一般利用CCD图像传感器代替上述方案中的光学传感器系统。为了保证晶圆边缘图像的高分辨率，要么采用超高分辨率相机检测晶圆全局图像，成本非常高，要么依然需要承片台旋转一周或者多周，使用低分辨率相机检测晶圆边缘图像，但使得预对准效率降低。

MEMS即微电子机械系统，是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写。

在本申请实施例中，应用两个传感器通过光学成像装置获取晶圆的整体图像和晶圆的边缘图像，依据获取的晶圆图像与预先存储的晶圆图像进行比较，计算出动平台的调节值，依据调节值对晶圆位置进行调节，进而完成晶圆预对准。

实施例一：

请参考图2，为一种实施例的晶圆对准系统的结构示意图，本申请公开了一种晶圆对准系统包括运动平台1、晶圆承片台2、图像获取装置3和处理器4。运动平台1可在X轴和Y轴移动并绕Z轴转动。晶圆承片台2被支撑在运动平台1上，用于承载晶圆5。图像获取装置3，设置于晶圆承片台2的上方，用于获取晶圆的整体图像和晶圆的边缘图像。处理器4与图像获取装置3和运动平台1耦接，用于将晶圆的整体图像进行处理，并计算出运动平台1在X轴和Y轴移动的第一调节值和绕Z轴转动的第一角度，并将第一调节值和第一角度发送给运动平台1，以控制运动平台1移动，进而实现对晶圆5的位置的调整。处理器4还用于将晶圆的一系列边缘图像进行处理，并计算出运动平台1在X轴和Y轴移动的第二调节值和绕Z轴转动的第二角度，将第二调节值和第二角度发送给运动平台1，以控制所述运动平台1移动，进而实现对晶圆5的位置的调节。

其中，如图3所示，为一种实施例的图像获取装置结构示意图。图像获取像获取装置3包括光学成像装置31、第一传感器32和第二传感器33。第一传感器32，用于获取晶圆的整体图像。第二传感器33，用于获取所述晶圆的边缘图像；第一传感器32和第二传感器33和处理器4耦接，用于将采集的晶圆的整体图像和晶圆的边缘图像发送给处理器4。光学成像装置31，用于获取第一视场34的光线和第二视场35的光线，将第一视场34的光线投射到第一传感器32上，以获得晶圆的整体图像。将第二视场35的光线投射到第二传感器33上，以获得晶圆的边缘图像。光学成像装置31包括物镜组311、第一透镜313、振镜315、第二透镜314和分光镜312。光学成像装置31的物镜组311用于对第一视场34的光线进行对焦，对焦后的第一视场34的光线到达分光镜312。分光镜312反射对焦后的第一视场34的光线。第一透镜313透射反射后的第一视场34的光线，透射出的第一视场34的光线到达第一传感器32上。光学成像装置31的物镜组311还用于对第二视场35的光线进行对焦，对焦后的第二视场35的光线到达第二透镜314。第二透镜314透射对焦后的第二视场35的光线。振镜315反射第二透镜314透射的第二视场35的光线。第二透镜314透射振镜315反射的第二视场35的光线。分光镜312反射第二透镜314透射的振镜315反射的第二视场35的光线到达第二传感器33上。

进一步，本实施例的光学成像装置可包括两个光线通道。

其中，视场包括第一视场34和第二视场35。

第一光线通道的路线是经过物镜组311--分光镜312--通过第一透镜313到达第一传感器32。

第二光线通道的路线是经过物镜组311--分光镜312--透镜314—振镜315—第二透镜314---通过反光镜312到达第二传感器。

具体是，如图3所示，物镜组311聚焦视场的光线后透射。分光镜312将从物镜组311透射出的光线分出第一光线和第二光线。第一光线为分光镜312反射物镜组311聚焦后透射的视场的光线，第二光线为分光镜312透射物镜组311聚焦后透射的视场的光线。第一透镜313透射第一光线，用于第一传感器32接收第一光线。第二透镜314透射第二光线。振镜315反射第二透镜314透射的第二光线。第二透镜314还用于透射振镜315反射第二透镜透射的第二光线。分光镜312还用于反射第二透镜314透射的振镜315反射的第二光线，用于第二传感器33接收第二光线。

本实施例中的传感器包括CCD图像传感器和模数转换器，模数转换器接收CCD图像传感器从光学成像装置获取光线并转化为模拟信号并发送给模数转换器，模数转换器接收CCD图像传感器的模拟信号并转化为数字信号发送处理器。采用本实施例的光学成像装置，在晶圆的边缘图像采集时，第二传感器的视场非常小，相对地提高图像采集分辨率，进而提高对准精度。因此，第一传感器和第二传感器均可采用较低分辨率的CCD传感器，降低设备成本。

进一步，本实施例中光学成像装置包括双轴MEMS，用于调整振镜315的反射角度。加装有双轴MEMS的振镜315可以精确快速地调整角度，使光线再次反射回第二透镜314，在由分光镜312反射后成像于第二传感器33的CCD图像传感器上，进而获得高分辨率局部图像，能够实现1秒钟内完成晶圆边缘的图像的扫描采集。晶圆边缘的图像的扫描采集，具体是通过双轴MEMS控制振镜315的反射角度，获取不同反射角所对应的晶圆的边缘图像。可以不采用晶圆旋转运动的方式采集，检测分辨率和效率都能得到提高。

本实施例中的晶圆对准系统的工作流程为：

(a)、运动平台1将晶圆5移动至预对准工位。

(b)、图像获取装置3的第一传感器32从光学成像装置31中获取第一视场34的光线，并将第一视场34的光线转化为模拟信号通过模数转换器转换成数字信号的图像信息发送给处理器4，即使处理器4获得晶圆的整体图像。

(c)、处理器4将晶圆5的整体图像进行处理，并计算出运动平台1在X轴和Y轴移动的第一调节值和绕Z轴转动的第一角度。具体的，利用图像处理算法获得晶圆整体图像的边缘点坐标，并利用最小二乘法获得X轴和Y轴移动的第一调节值和Z轴转动的第一角度。此处X轴和Y轴移动的第一调节值和Z轴转动的第一角度计算方法属于现有技术。

(d)、处理器4将第一调节值和第一角度发送给运动平台1，以控制运动平台1移动，实现初对准调节，使晶圆5的边缘位于可依据晶圆5的边缘图像(即第二视场35)进行精细调节的位置上。

(e)、视频获取装置3的第二传感器33从光学成像装置31中获取第二视场35的光线，并将第二视场35的光线转化为模拟信号通过模数转换器转换成数字信号的图像信息发送给处理器4，即使处理器4获得晶圆的边缘图像。通过双轴MEMS控制振镜315可以获得一系列晶圆5的边缘图像。

(f)、处理器4将晶圆5的一系列边缘图像进行处理，并计算出运动平台1在X轴和Y轴移动的第二调节值和绕Z轴转动的第二角度。具体的，利用图像处理算法获得晶圆边缘图像的边缘点坐标，并利用最小二乘法获得X轴和Y轴移动的第二调节值和Z轴转动的第二角度。此处X轴和Y轴移动的第二调节值和Z轴转动的第二角度计算方法属于现有技术。

(g)、处理器4将第二调节值和第二角度发送给运动平台1，以控制运动平台1移动，实现对晶圆对准。

其中，晶圆承片台X轴和Y轴移动的调节值和Z轴转动的角度计算方法具体为：在将晶圆放置到承片台的过程中，晶圆相对于承片台中心的位姿都会出现较大的偏差。如图4所示，是简化的二维坐标系，xoy是承片台坐标系，XOY是机床坐标系。(cx,cy)是晶圆中心点C在承片台坐标系中的坐标，被视为晶圆的位移偏差。θ是晶圆切边的偏角，为晶圆的角偏差量。位移偏差和角偏差是利用晶圆边缘点数据计算出来的。为保证加工精度，这些偏差都应该得到补偿。一旦晶圆放到承片台上，晶圆就不能再相对于承片台移动。因此校正过程应该分为两步。第一步是旋转承片台校正角偏差θ，第二步是校正位移偏差，但要注意，校正角偏差θ之后，晶圆的位移偏差不再是(cx,cy)，需要重新计算。

采用圆拟合算法是通过采集到的晶圆边缘点数据计算晶圆圆心坐标(cx,cy)。如图5所示，设定视觉检测模块在晶圆边缘上采集N个离散点Pi(xi,yi)(不包括切边上的点)，然后构造函数，

式中ri——(xi,yi)点到晶圆中心(cx,cy)的距离。

公式(1)中的E的含意是所有采样点与cx、cy和R所确定的圆周的偏差之和。

能够使E最小的圆即为最优拟合圆。然而(1)式中含有根式，不利于优化求解。

分别用ri²和R²代替ri和R，虽然会放大距离圆心较远的点的作用，但它具有解析解，可以精确求出圆参数。

所以采用下面的优化目标函数求解圆参数。

对E求极值，则需要使E分别对cx、cy和R求偏导

即

解此方程，即可求出晶圆的位置参数cx、cy和R。

角偏差的计算，假设Q1，Q2，…，Qm为切边上的点，如图6所示，其直角坐标分别(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xm,ym)。做最小二乘直线拟合，就可以得到切边所在的直线方程y＝kx+b，其中，

晶圆偏角可以表示为，

θ＝-arctan k (6)

注意，θ有正负之分，正值表示切边偏向第一象限，负值表示切边偏向第二象限。

经过圆拟合和切边(缺口)检测，晶圆预对准系统已经获得了晶圆在承片台坐标系xoy中的位置偏差参数cx、cy和θ。

下面对晶圆位置偏差进行校正：从晶圆预对准的定义知道，晶圆预对准的目的是在晶圆载入以后，对晶圆在机床坐标系下的位置偏差进行补偿。

本方案的补偿过程分两步进行：第一步是旋转承片台校正角偏差θ；第二步是校正位移偏差；但要注意，校正角偏差θ之后，晶圆的位移偏差不再是(cx,cy)，需要重新计算。角度校正如图7所示。通过承片台旋转角度进行偏角补偿之后，切边与y轴垂直，晶圆圆心从C点移动到C'点。由几何关系知道，＝θ。所以，校正的第一步是承片台旋转θ角，完成角度校正。进行位移校正是设定C和C'点在机床坐标系下坐标分别为(Cx,Cy)和(C'x,C'y)，承片台坐标系原点o在机床坐标系下的坐标为(ox,oy)，则依据平面坐标转换关系可以得到，

由于C点在承片台坐标系下的坐标(cx,cy)已经通过圆拟合求得，所以有，

于是可以得到，

此时晶圆圆心已经移动到C'点，设X和Y方向所需要的位移补偿值分别为xc1和yc1，则可以得到，

因此，校正的第二步，X、Y轴分别平移xc1和yc1。

如上所述的实施例不仅适用于有图案的晶圆对准，也适用于无图案的晶圆对准。与已有的无图案晶圆对准方法类似地，本申请的晶圆对准系统均可以获取晶圆的平动调节值和旋转调节角度。由于先获取晶圆的整体图像，计算运动平台的调节值，依据调节值对晶圆的位置进行初调节，使晶圆的边缘位于可依据晶圆的边缘图像进行精细调节的位置上。在获取晶圆的边缘图像，依据晶圆的边缘图像，再计算出动平台的调节值，依据调节值对晶圆位置进行精细调节，进而完成晶圆预对准。使得在对晶圆进行预对准后不需要更换承片台和提高了晶圆预对准的效率。本申请的晶圆对准系统完全可以替代现有的无图案晶圆对准系统和方法。相对于现有的有图案晶圆的对准方法，本申请的晶圆对准系统，不需要频繁地移动运动平台，避免频繁地采集图像并因而不必频繁地进行模式识别。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。